Ученые МФТИ ускорили моделирование ядерных процессов в 20 раз
Специалисты МФТИ разработали новый программный код для моделирования процессов фрагментации атомных ядер. Он позволяет ускорить расчёты образования лёгких ядерных осколков.
Процесс расчётов ускорен в среднем в 20 раз, а для отдельных каналов распада – до 300 раз по сравнению с предыдущей версией. Разработка включена в официальный релиз международной библиотеки Geant4 версии 11.4, которая используется в ядерной медицине и физике высоких энергий.
От Fortran к современному C++
Предыдущая версия модели, созданная в 2008 году для Geant4 v9.2, была написана на языке Fortran и использовалась физиками-ядерщиками на протяжении почти двух десятилетий. Новая реализация полностью переписана на современном C++, что позволило существенно повысить эффективность вычислений. Итоговая версия занимает в памяти менее 25 мегабайт и работает значительно быстрее предшественницы.
Тестирование проводилось на вычислительных кластерах Института ядерных исследований РАН на десятках тысяч событий. Результаты совпали как с эталонным кодом на Fortran, так и с экспериментальными данными по фрагментации ядер неона.
В отдельных случаях ускорение достигает 300 раз. Проверка велась в том числе при помощи интеграции новой версии в код модели Abrasion-Ablation Monte Carlo Colliders, это подтверждает корректность алгоритмов в сложных сценариях столкновений релятивистских ядер.
Применение в терапии рака
Одно из ключевых направлений использования разработки – тяжёлая ионная терапия злокачественных новообразований. При облучении опухоли пучком ионов углерода или кислорода часть ядер дробится на лету внутри тела пациента. Образующиеся осколки – альфа-частицы, протоны, лёгкие ядра – несут непредсказуемую дозу на здоровые ткани, что требует точного расчёта для минимизации побочных эффектов.
Библиотека Geant4 широко применяется для моделирования фрагментации пучков лёгких ядер в тканях человека. Новая модель позволяет в несколько раз быстрее рассчитать траектории вторичных фрагментов и скорректировать план терапии. Это позволяет сократить время между постановкой диагноза и началом лечения, а также повышает точность дозировки облучения.
Исследования на Большом адронном коллайдере
Второе направление применения – изучение столкновений частиц на Большом адронном коллайдере. В 2025 году на БАК впервые были проведены сеансы столкновений ядер кислорода-16 и неона-20, что открыло новый этап изучения кварк-глюонной плазмы и структуры лёгких ядер.
Спектаторные фрагменты, то есть части ядер, не участвовавшие в столкновении, возникают в процессе фрагментации и могут транспортироваться по кольцу ускорителя наравне с исходными ядрами. Точный и быстрый расчёт этих процессов крайне важен для корректной интерпретации экспериментальных данных и понимания физики столкновений при высоких энергиях. Новая модель позволяет исследователям быстрее получать результаты моделирования.
Перспективы: космическая радиация и ядерная энергетика
Разработчики планируют применить аналогичный подход к ускорению ещё одной ресурсоёмкой модели – статистической мультифрагментации, описывающей распад вплоть до самых тяжёлых атомных ядер. Это связано с двумя практическими задачами.
Первая – радиационная безопасность космических полётов. Внутри корабля космонавты защищены от облучения лишь тонкой обшивкой. Тяжёлые ядра космических лучей, врезаясь в неё, дробятся на вторичные осколки, которые дают дополнительную радиационную нагрузку на организм человека. Ускоренная модель поможет точнее предсказать дозу облучения экипажа при длительных миссиях.
Вторая область – ядерная энергетика. В ускорительных установках протоны бомбардируют тяжёлые мишени из свинца или висмута, вызывая их дробление. Это позволяет получать редкие изотопы и «сжигать» радиоактивные отходы. Расчёт таких процессов занимает значительное время, и его ускорение повысит эффективность проектирования и оптимизации соответствующих технологий.
Международное признание
Разработка была представлена на международной конференции по вычислительным методам в физике высоких энергий CHEP-2026 в Бангкоке – крупнейшем отраслевом форуме в мире. Теперь тысячи учёных получат доступ к ускоренным вычислениям.
Библиотека поддерживается международным консорциумом, в который входят ЦЕРН, Фермилаб, КЕК и другие ведущие научные центры.
Успех данной разработки показывает, что российские инженеры и программисты сохраняют высокий уровень компетенций в области научного ПО для мегасайенс-проектов, медицинской физики и прикладных ядерных исследований.
